基于少量回波光子的单光子计数雷达三维成像技术研究
发布时间：2021-09-05 15:51
随着激光照明、高灵敏单光子探测、高精度计时以及高速数据处理等前沿技术的发展,具备高灵敏度和高时间分辨特性的单光子计数三维成像技术应运而生。它作为一种新型主动成像技术,在生物光子成像、微弱目标探测、远程遥感测绘等领域具有巨大的应用价值,已成为近年来的研究热点。采用单光子计数体制后,在提高探测灵敏度的同时,源于光粒子性的散粒噪声、环境背景噪声以及探测器暗计数等噪声的影响变得显著不可忽略。通常为抑制单光子探测过程中噪声光子的干扰实现信号有效提取,需要在每个像素上累积成百上千个光子,通过光子到达时刻分布直方图才能获得精确的图像估计。然而,在弱光照明条件下或者对远距离目标探测成像时,可用的回波能量以及积分时间无法满足这种大量光子直方图的累积。因此,单光子计数三维成像技术当前所面临的主要挑战就是,如何提高回波光子信息利用效率,通过少量回波光子来准确重建目标三维图像。本论文正是针对这一挑战,开展了少量回波光子条件下单光子计数雷达三维成像理论与实验研究,主要研究内容与创新点如下:1、设计并搭建了单站式和双站式两种不同光路模式的时间相关单光子计数（Time-correlated single photo...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
PN结光电二极管光子探测概念图[11]
集速率将赢取竞争，导致电子和空穴群体的减少。这就是APD的普通工作模式，利用由碰撞电离提供的内部增益测量光信号强度。每个吸收光子一般会平均产生有限的M对电子-空穴。M被称为内部增益因子，其大小通常在几十或几百量级，达不到探测单光子的水平。这种情况下，因为产生的平均光电流严格地正比于入射光通量，所以被称为线性工作模式。线性工作模式的缺点为存在无法避免的增益噪声[11]。当反向偏置电压（也称之为过偏置电压[12]）大于击穿电压时，电子和空穴的产生速率由于更加快速的碰撞电离将大于其被收集的速率，如图1.2所示为盖革工作模式的概念图。高场区域的电子和空穴个数以及相对应的光电流呈指数增长，过偏置电压越大，电流增长速度越快。如果二极管上有串联电阻存在，随着电流的增大，电阻上的电压也逐渐增加，从而拉低高场区域的电压，减慢雪崩电流的增长速度，最终达到稳态条件，高场区域两端的电压降低到击穿电压，电子空穴的产生和收集速率达到平衡。此时由于串联电阻的负反馈效应，使得电流既不增长也不衰减，趋于稳定。如果稳态电流大小足够（约几十微安），它会持续流动。因此，一个光子的吸收即可引起一个自持性雪崩，从而产生一个宏观可测的电流脉冲，并且该电流的导通瞬态很快，通常为数十皮秒，且该探测过程不存在增益噪声，因为它是完全数字性的。近年来，半导体光子计数探测器快速发展。为适应不同的应用需求，基于多种半导体材料及其化合物的光子计数器被设计和开发。随着材料生长、装备制造图1.2雪崩效应概念图[11]Figure1.2Conceptofavalanchebreakdownvoltage
第1章引言5与电子电路技术的日益成熟，高性能、大规模的InGaAs/InPGMAPD焦平阵列也已经被成功设计及生产，由PrincetonLightwave公司生产的32×32和128×32的阵列单光子探测器已经商业化[13]。光电倍增管（Photomultiplier,PMT）是在20世纪初诞生的单光子探测器[15]。光电倍增管的基本结构和工作原理如图1.3所示，主要由一个高真空玻璃封装管、光阴极、若干个带正电的打拿极和一个阳极构成。打拿极相对于阴极保持逐渐升高的电压，相邻打拿极之间的典型压差为100V。其工作原理为，由于外光电效应，光子入射至光电阴极表面后，释放出光电子。光电子在聚焦电极的影响下加速向第一个打拿极移动，与第一个打拿极碰撞之后释放出多个二次电子，所产生的二次电子在加速电场的作用下再次冲击具有更高电势的第二个打拿极，然后释放出更多的二次电子。因此，越来越多的电子与随后的打拿极碰撞，完成了电子的倍增，倍增指数通常在104至107之间。最终，倍增的电子被阳极所吸收，并产生尖锐的脉冲电流。PMT的工作模式也分为线性模式和光子计数模式，当入射光较强时，所产生电流脉冲时间间隔将小于电流脉冲宽度，因而实际输出的电流脉冲为相邻电流脉冲叠加的结果，此时电流信号大小与入射光强呈正比关系；当入射光较弱时，光电倍增管输出离散的脉冲序列，每个脉冲代表探测到了一个光子，此时PMT工作于光子计数模式[16]。PMT具有光敏面积大和死时间极短等优点，但是由于采用多个打拿极，导致电子渡越时间弥散，时间抖动接近纳秒量级。同时，由于其低强度、需要真空和高电压，以及在近红外谱段的低灵敏性等缺点导致部分应用受到限制。图1.3光电倍增管原理图[14]Figure1.3Schematicdiagramofaphotomultipliertube
【参考文献】：
期刊论文
[1]远程激光测距技术及其进展[J]. 胡伟伟,李永亮,顾小琨,张翼鹏,张英明,刘泓鑫. 激光与红外. 2019(03)
[2]卫星大地测量学的研究现状及发展趋势[J]. 程鹏飞,文汉江,刘焕玲,董杰. 武汉大学学报(信息科学版). 2019(01)
[3]超导纳米线单光子探测现状与展望[J]. 尤立星. 红外与激光工程. 2018(12)
[4]Dynamic time-correlated single-photon counting laser ranging[J]. 彭欢,王煜蓉,孟文东,颜佩琴,李召辉,李辰,潘海峰,吴光. Optoelectronics Letters. 2018(02)
[5]高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验[J]. 王遨游,陶宇亮,李旭,王春辉,彭欢,吴光,王龙,张靖涛. 激光与红外. 2017(07)
[6]资源三号（02）星载高精度激光测距技术的实现[J]. 宋博,李旭,郑伟,彭欢. 光电子技术. 2017(01)
[7]基于光子计数技术的远程测距激光雷达[J]. 罗远,贺岩,耿立明,王明建,雷琳君,吴姚芳,胡善江,侯霞,陈卫标. 中国激光. 2016(05)
[8]基于光子计数的自适应深度成像方法[J]. 林杰,何伟基,叶凌,方剑,陈钱,顾国华. 光学学报. 2015(10)
[9]Investigation of Geiger-mode detector in multi-hit model for laser ranging[J]. ZHAO Peng,ZHANG Yan,QIAN WeiPing,XUAN Ying. Science China（Technological Sciences）. 2015(05)
[10]模拟回火马尔可夫链蒙特卡罗全波形分析方法[J]. 尹文也,何伟基,顾国华,陈钱. 物理学报. 2014(16)
博士论文
[1]多光束光子计数激光成像技术研究[D]. 李召辉.华东师范大学 2017
[2]基于概率统计的光子激光雷达性能提高的理论与实验研究[D]. 张子静.哈尔滨工业大学 2014
[3]高速单光子探测及应用研究[D]. 任旻.华东师范大学 2013
[4]基于MCP位敏阳极探测器的时间相关单光子计数技术研究[D]. 鄢秋荣.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2012
硕士论文
[1]激光测距中回波光子分布特性研究[D]. 唐美荣.中国科学院大学(中国科学院云南天文台) 2017
[2]时间相关单光子计数型激光雷达信号分析[D]. 尹文也.南京理工大学 2015
[3]Gm-APD激光雷达脉冲累积探测性能的研究[D]. 徐璐.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3385634
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
PN结光电二极管光子探测概念图[11]
集速率将赢取竞争，导致电子和空穴群体的减少。这就是APD的普通工作模式，利用由碰撞电离提供的内部增益测量光信号强度。每个吸收光子一般会平均产生有限的M对电子-空穴。M被称为内部增益因子，其大小通常在几十或几百量级，达不到探测单光子的水平。这种情况下，因为产生的平均光电流严格地正比于入射光通量，所以被称为线性工作模式。线性工作模式的缺点为存在无法避免的增益噪声[11]。当反向偏置电压（也称之为过偏置电压[12]）大于击穿电压时，电子和空穴的产生速率由于更加快速的碰撞电离将大于其被收集的速率，如图1.2所示为盖革工作模式的概念图。高场区域的电子和空穴个数以及相对应的光电流呈指数增长，过偏置电压越大，电流增长速度越快。如果二极管上有串联电阻存在，随着电流的增大，电阻上的电压也逐渐增加，从而拉低高场区域的电压，减慢雪崩电流的增长速度，最终达到稳态条件，高场区域两端的电压降低到击穿电压，电子空穴的产生和收集速率达到平衡。此时由于串联电阻的负反馈效应，使得电流既不增长也不衰减，趋于稳定。如果稳态电流大小足够（约几十微安），它会持续流动。因此，一个光子的吸收即可引起一个自持性雪崩，从而产生一个宏观可测的电流脉冲，并且该电流的导通瞬态很快，通常为数十皮秒，且该探测过程不存在增益噪声，因为它是完全数字性的。近年来，半导体光子计数探测器快速发展。为适应不同的应用需求，基于多种半导体材料及其化合物的光子计数器被设计和开发。随着材料生长、装备制造图1.2雪崩效应概念图[11]Figure1.2Conceptofavalanchebreakdownvoltage
第1章引言5与电子电路技术的日益成熟，高性能、大规模的InGaAs/InPGMAPD焦平阵列也已经被成功设计及生产，由PrincetonLightwave公司生产的32×32和128×32的阵列单光子探测器已经商业化[13]。光电倍增管（Photomultiplier,PMT）是在20世纪初诞生的单光子探测器[15]。光电倍增管的基本结构和工作原理如图1.3所示，主要由一个高真空玻璃封装管、光阴极、若干个带正电的打拿极和一个阳极构成。打拿极相对于阴极保持逐渐升高的电压，相邻打拿极之间的典型压差为100V。其工作原理为，由于外光电效应，光子入射至光电阴极表面后，释放出光电子。光电子在聚焦电极的影响下加速向第一个打拿极移动，与第一个打拿极碰撞之后释放出多个二次电子，所产生的二次电子在加速电场的作用下再次冲击具有更高电势的第二个打拿极，然后释放出更多的二次电子。因此，越来越多的电子与随后的打拿极碰撞，完成了电子的倍增，倍增指数通常在104至107之间。最终，倍增的电子被阳极所吸收，并产生尖锐的脉冲电流。PMT的工作模式也分为线性模式和光子计数模式，当入射光较强时，所产生电流脉冲时间间隔将小于电流脉冲宽度，因而实际输出的电流脉冲为相邻电流脉冲叠加的结果，此时电流信号大小与入射光强呈正比关系；当入射光较弱时，光电倍增管输出离散的脉冲序列，每个脉冲代表探测到了一个光子，此时PMT工作于光子计数模式[16]。PMT具有光敏面积大和死时间极短等优点，但是由于采用多个打拿极，导致电子渡越时间弥散，时间抖动接近纳秒量级。同时，由于其低强度、需要真空和高电压，以及在近红外谱段的低灵敏性等缺点导致部分应用受到限制。图1.3光电倍增管原理图[14]Figure1.3Schematicdiagramofaphotomultipliertube
【参考文献】：
期刊论文
[1]远程激光测距技术及其进展[J]. 胡伟伟,李永亮,顾小琨,张翼鹏,张英明,刘泓鑫. 激光与红外. 2019(03)
[2]卫星大地测量学的研究现状及发展趋势[J]. 程鹏飞,文汉江,刘焕玲,董杰. 武汉大学学报(信息科学版). 2019(01)
[3]超导纳米线单光子探测现状与展望[J]. 尤立星. 红外与激光工程. 2018(12)
[4]Dynamic time-correlated single-photon counting laser ranging[J]. 彭欢,王煜蓉,孟文东,颜佩琴,李召辉,李辰,潘海峰,吴光. Optoelectronics Letters. 2018(02)
[5]高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验[J]. 王遨游,陶宇亮,李旭,王春辉,彭欢,吴光,王龙,张靖涛. 激光与红外. 2017(07)
[6]资源三号（02）星载高精度激光测距技术的实现[J]. 宋博,李旭,郑伟,彭欢. 光电子技术. 2017(01)
[7]基于光子计数技术的远程测距激光雷达[J]. 罗远,贺岩,耿立明,王明建,雷琳君,吴姚芳,胡善江,侯霞,陈卫标. 中国激光. 2016(05)
[8]基于光子计数的自适应深度成像方法[J]. 林杰,何伟基,叶凌,方剑,陈钱,顾国华. 光学学报. 2015(10)
[9]Investigation of Geiger-mode detector in multi-hit model for laser ranging[J]. ZHAO Peng,ZHANG Yan,QIAN WeiPing,XUAN Ying. Science China（Technological Sciences）. 2015(05)
[10]模拟回火马尔可夫链蒙特卡罗全波形分析方法[J]. 尹文也,何伟基,顾国华,陈钱. 物理学报. 2014(16)
博士论文
[1]多光束光子计数激光成像技术研究[D]. 李召辉.华东师范大学 2017
[2]基于概率统计的光子激光雷达性能提高的理论与实验研究[D]. 张子静.哈尔滨工业大学 2014
[3]高速单光子探测及应用研究[D]. 任旻.华东师范大学 2013
[4]基于MCP位敏阳极探测器的时间相关单光子计数技术研究[D]. 鄢秋荣.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2012
硕士论文
[1]激光测距中回波光子分布特性研究[D]. 唐美荣.中国科学院大学(中国科学院云南天文台) 2017
[2]时间相关单光子计数型激光雷达信号分析[D]. 尹文也.南京理工大学 2015
[3]Gm-APD激光雷达脉冲累积探测性能的研究[D]. 徐璐.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3385634
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3385634.html
